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发布时间：2021-10-21 02:07:11 阅读：次来源：地热反射膜厂家

生物反应器建模与控制策略(任务书,开题报告,论文16000字)

摘要

最近几年来，生物技术在农业、医药、食品、海洋开发及环境保护等领域的利用愈来愈广泛。由于生物反应进程复杂，影响因素多，对生物反应进程控制的要求也愈来愈高。发酵工程是是现代生物工程范围化生产的基础，本文主要针对发酵进程进行数学建模，并研究了发酵温度模型对发酵罐温度控制设计了相应的控制策略，主要研究内容有：

首先，研究了微生物生长动力学和发酵进程建模的方法，使用微分方程对发酵进程进行数学建模，并在MATLAB的Simulink平台下基于S-Function方法建立了生物反应器仿真模型，并在给定输入条件下观测所设计模型输出动态变化曲线，仿真结果表明所设计的模型比较准确反应了生物反应器工作进程，从而证明了模型的准确性。对发酵进程的重要影响因素温度进行了模型研究，得动身酵温度传递函数。

然后研究了工程上经常使用的pID控制器，针对目前流行的模糊控制研究学习了模糊免疫pID控制原理及算法，在MATLAB上做出了仿真。根据pID控制和模糊免疫pID控制的仿真结果比较得出模糊免疫pID能减小超调和调理时间，可以得到更好的控制品质的结论。

其次，针对生物反应器温度控制存在的大滞后普通pID难以到达满意的控制效果，本文在pID控制基础上采取了史密斯预估控制补偿方案，并设计出补偿控制器的传递函数真皮。MATLAB仿真结果证明史密斯预估补偿控制器加快了系统的响应速度，减小了系统超调，大大提高了系统的控制性能。

最后，针对反应器发酵罐夹套冷却水温度扰动而致使发酵罐内反应温度控制品质差的问题，设计了前馈控制器，给出了前馈控制器的数学模型，通过前馈控制实时控制冷却水流量将温度变化抵消，抑制了冷却水温度扰动对发酵温度的影响，仿真证实了前馈控制器的正确性。

关键词：生物反应器；pID控制；史密斯预估控制；前馈控制；

Abstract

Inrecentyears,biotechnologyhasbeenusedinagriculture,medicine,food,marinedevelopmentandenvironmentalprotectionandotherfieldsmoreandmorewidely.Duetothecomplexityofthebiologicalreactionprocess,theinfluencingfactorsaremoreandmoredemandingontheprocessofbiologicalreaction.Fermentationengineeringisthebasisoflarge-scaleproductionofmodernbiologicalengineering.Thispapermainlyaimsatthemathematicalmodelingofthefermentationprocess,andthefermentationtemperaturemodelisdesignedtocontrolthetemperatureofthefermentationtank.Themainresearchcontentsareasfollows:

Firstly,themethodsofmicrobialgrowthkineticsandfermentationprocessmodelingwerestudied.Themathematicalmodelwasestablishedbydifferentialequation.ThebioreactorsimulationmodelwasestablishedbasedontheS-FunctionmethodunderMATLAB'sSimulinkplatform.Thesimulationresultsshowthatthedesignedmodelaccuratelyreflectstheworkprocessofthebioreactor,whichprovestheaccuracyofthemodel.Thefactorsinfluencingthefermentationprocesswerestudiedbytemperature,andthefermentationtemperaturetransferfunctionwasobtained.

Then,theauthorstudythecommonlyusedpIDcontrollerinengineering,andstudythefuzzyimmunepIDcontrolprincipleandalgorithmforthepopularfuzzycontrolresearch,andmakethesimulationonMATLAB.AccordingtothesimulationresultsofpIDcontrolandfuzzyimmunepIDcontrol,thefuzzyimmunepIDcanreducetheovershootandadjustthetime,andcangetthebettercontrolqualityconclusion.

Secondly,itisdifficulttoachievesatisfactorycontroleffectforthelargehysteresisnormalpIDofthebioreactortemperaturecontrol.Inthispaper,Smith'spredictivecontrolcompensationschemeisadoptedonthebasisofpIDcontrol,andthetransferfunctionofthecompensationcontrollerisdesigned.MATLABsimulationresultsshowthatSmithestimatesthecompensationcontrollertospeedupthesystemresponsespeed,reducingthesystemovershoot,greatlyimprovingthesystemcontrolperformance.

Finally,thefeedforwardcontrollerisdesignedforthetemperatureofthereactiontankinthefermentationtank,andthemathematicalmodelofthefeedforwardcontrollerisgiven.Thefeedforwardcontrolreal-timecontrolThecoolingwaterflowcounteractsthetemperaturechange,whichinhibitstheeffectofcoolingwatertemperaturedisturbanceonthefermentationtemperature.Thesimulationconfirmsthecorrectnessofthefeedforwardcontroller.

KeyWords：Bioreactormodel；pIDcontrol;Smithpredictivecontrol；feedforwardcontrol目录

摘要I

AbstractII

第1章绪论1

1.1论文的研究背景及意义1

1.2国内外研究现状2

1.2.1发酵进程建模研究现状2

1.2.2发酵进程温度控制研究现状2

1.3本文主要研究工作3

第2章生物反应器建模4

2.1生物反应器分类4

2.2发酵进程的数学模型4

2.2.1微生物生长动力学5

2.2.2S-Function8

2.3.2生物反应器仿真模型10

2.3生物发酵温度进程建模12

2.3.1发酵温度模型特性分析12

2.4.1发酵温度进程建模13

2.4本章小结14

第3章pID控制器的设计15

3.1pID控制理论15

3.1.1pID概述15

3.1.2各控制器对控制进程的影响15

3.1.3pID整定方法17

3.2pID在发酵温度控制的利用18

3.3模糊控制理论19

3.4模糊免疫pID控制算法与仿真21

3.4.1模糊免疫pID控制算法22

3.4.2模糊免疫pID控制仿真23

3.5本章小结24

第4章史密斯预估控制25

4.1史密斯预估控制概述25

4.2史密斯预估补偿控制器26

4.2.2史密斯预估控制器的设计27

4.2羊角风怎么治.3史密斯预估控制器仿真28

4.3本章小结28

第5章前馈控制29

5.1发酵进程温度扰动29

5.2前馈控制原理及结构29

5.3前馈控制在发酵进程温度控制的利用34

5.3.1前馈控制器的设计34

5.3.2前馈-反馈控制器仿真35

5.4本章小结36

第6章结论与展望37

6.1结论37

6.2研究展望37

参考文献38

致谢40